Vorlesung 2 Zytoskelett, Zellgestalt,
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung<br />
Schriftgröße 12: Grundanforderung<br />
Schriftgröße 10: Extra Anforderungen<br />
6.<br />
Die Funktionen des <strong>Zytoskelett</strong>s:<br />
Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit<br />
Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer Bewegung.<br />
Separiert die Chromosomen bei der Zellteilung<br />
Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt<br />
sind.<br />
Wechselwirkt mit extracellulären Strukturen, um die Zelle in Position zu halten.<br />
7.-11.<br />
Filme, die die unterschiedlichen Funktionen des <strong>Zytoskelett</strong>s demonstrieren<br />
12.-13.<br />
Beweglichkeit der Zellen ist eine ihrer erstaunlichen Eigenschaften; wie z.B. Zellen des<br />
Immunsystems wandern an Ort der Verletzung/Infektion. Die meisten Zellen sind nicht<br />
beweglich, sondern an einen festen Ort gebunden, aber sie sind zu morphologischen<br />
Änderungen fähig, wie Muskelkontraktion, die Verlängerung der Axonen, Bildung von<br />
Oberflächenausstülpungen, die Einschnürung des Zellkörpers bei der Mitose. Innerhalb der<br />
Zellen ablaufen Bewegungen wie die Trennung der Chromosomen, die Strömung des<br />
Cytosols, der Transport der Membranvesikeln. Die für Zellbewegung benötigte mechanische<br />
Arbeit ermöglichen Proteine, welche die in ATP gespeicherte chemische Energie in<br />
Bewegung umsetzen.<br />
Die im Elektronenmikroskop sichtbare, auf den ersten Blick offensichtlich ungeordnete<br />
Ansammlung von Fasern lassen sich in drei Kategorien klassifizieren:<br />
Die 7-9 nm dicke Mikrofilamente (Actin)<br />
Die 10 nm dicke Intermediärfilamente<br />
Die 24 nm dicke Mikrotubuli (Tubulin)<br />
Die Fasern werden von Proteinpolymere gebildet, die durch nichtkovalente Bindungen<br />
zusammengehalten werden. Der Aufbau des Cytoskeletts ist klar struktruiert, bestehen aus<br />
Faserbündel, Netzwerke der Bündel, als gelartige Matrix.<br />
14.-17.<br />
Intermediärfilamente:<br />
Eine Gruppe von Cytoskelettfasern in der Zellen sind die Intermediärfilamente, welche man<br />
in Zellen findet, die sich zu Geweben zusammenschliessen. Intermediärfilamente bestehen<br />
aus eine Reihe unterschiedlicher Proteine, davon die Lamine in allen Kernmembranen der<br />
Zellen, die übrigen IF-Proteine in besimmten Gewebe vorkommen. Intermediärfilamente<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
durchziehen die Zellen und treten mit Desmosomen zwischen den Zellen, Hemidesmosomen<br />
in der basalen Membran und der peripheren Proteine in der apikalen Membran in Kontakt.<br />
Funktionen:<br />
Stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr Reissfestigkeit.<br />
Unterstützen den Zusammenhalt von Nachbarzellen<br />
Werden Gewebespezifisch expremiert<br />
Es sind keine Motorenproteine bekannt, die sich entlang Intermediärfilamente bewegen.<br />
Typen:<br />
I., II, Keratine (Desmosomen, Haar, Nagel)<br />
III., Vimentin (Anfang der Zelldifferenzierung), Desmin (Muskeln).<br />
IV., Neurofilamente (Axone von Neuronen);<br />
V., Lamin (Innere Seite der Kernmembran);<br />
Krankheiten:<br />
epidermolysis bullosa simplex, (Keratin)<br />
amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Neurofilament)<br />
18.-20.<br />
Aktinfilamente<br />
Actin, das Monomer der Mikrofilamente ist das häufigste Protein der eukaryontischer Zelle.<br />
In Muskelzellen bestehen zehn Prozent aller Proteine aus Actin, in Nichtmuskelzellen 1-5<br />
Prozent. Actin ist ein ungefähr 40 kDa Protein und wird von einer Familie hochkonservierter<br />
Gene kodiert. Einzellige Eukaryonten, wie Hefe besitzen ein einziges Actingen, dessen<br />
Mutation tödlich (lethal) ist. Die Lethalität kann durch z.B. menschliches Actingens<br />
komplementiert werden, als ein Beispiel der konservierten Natur von Actin unter der<br />
Gattungen. Mehrzellige Eukaryonten, inklusive Menschen, beherrschen sechs Actingene,<br />
Pflanzen sogar sechszig. Das Monomer von -Actin, oder globulär, G-Actin besitzt eine<br />
tellerförmige Struktur, die in vier Subdomäne geteilt ist. Innerhalb des Moleküls befindet sich<br />
eine Tasche, welche ATP und Mg 2+ bindet. Im Elektronenmikroskop erscheinen<br />
Actinfilamente als lange, flexible und sich gedrehte Stränge aus perlenförmigen<br />
Untereinheiten. Wie das Modell darstellt, liegen die Untereinheiten dicht gepackt entlang des<br />
Filaments in einer helikalen Struktur. Eine periodisch wiederkehrende Einheit besteht aus 28<br />
Untereinheiten. Die ATP-Bindungstasche weist in allen Untereinheiten in dieselbe Richtung,<br />
nach oben, welches das minus Ende des Filaments ist. Die einzelne Actinfilamente werden<br />
von Actinquervernetzende Proteine zusammengehalten. Kurze proteine, wie Fascin fixieren<br />
die Filamente nahe beieinander und bilden parallele Anordnungen, oder Bündel. Lange,<br />
biegsame Proteine, wie Filamin dienen für Bildung mehr oder weniger rechtwinkligen<br />
Netzwerke. Die actinquernetzenden Proteine sind zahlreich und gewährleisten Quernetze aller<br />
Arten.<br />
21.-30.<br />
Zellbewegung<br />
Zellen führen Bewegungen auf zwei Weisen auf. Motorproteine verwandeln die chemische<br />
Energie aus ATP-Hydrolyse in Bewegung entlang von Mikrofilamenten oder Mikrotubuli.<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Der zweite Mechanismus beruht auf dem Auf- und Abbau von Mikrofilamenten oder<br />
Mikrotubuli.<br />
Polarität der bewegende Zelle heisst, dass bestimmte Strukturen an der Vorderseite, andere<br />
Strukturen an der entgegengesetzten Seite gebildet sind. Der ausgestreckte Membran-Finger,<br />
das Filopodium weist in der Richtung der Bewegung. Die grosse und breite Ausstülpung, das<br />
Lamellipodium enthält zahlreiche Actinbündel, und die Stressfasern bestehen auch aus<br />
Actinbündel/Mikrofilamenten. Die Bündel und deren Netzwerken aus Actinfilamenten füllen<br />
die Zellen an. Einzelne Bündel bilden strahlenförmige Filopodien, und gleichzeitig ein<br />
Netzwerk, welches das gesamte Cytosol erfüllt. Im Gegensatz zu der parallelen Anordnung<br />
der einzelne Filamenten der Filopodien liegen die Filamente in den Netzen rechtwinklig<br />
zueinander.<br />
24.<br />
In vitro polymerisiert Actin in drei Phasen nach der Zugabe von Ionen oder Actin selbst. In<br />
der ersten Phase sich langsam kurze und instabile Oligomere aus ATP-G-Actin bilden, die als<br />
Keime dienen. In der zweiter Phase findet die rasche Verlängerung des Filaments statt, und in<br />
der dritten Phase steht das System in Gleichgewicht, ohne Kettenverlängerung (Abb. 13). Die<br />
im Gleichgewicht vorliegende Konzentration an monomerem Actin nennen wir kritische<br />
Konzentration Cc, welche unter in vitro Bedingungen 0.1 M beträgt. In höher konzentrierten<br />
Lösungen von G-Actin kommt es zur Polymerisation, während F-Actin in verdünnten<br />
Lösungen depolymerisiert. Als das gebundene ATP langsam zu ADP hydrolysiert, die<br />
Filamente aus ADP-Actin bestehen und ATP-G-Actin nur an den Enden der Kette vorliegt.<br />
Die Hydrolyse ist keine Voraussetzung für Polymerisation, da ADP-G-Actin auch<br />
polymerisieren kann. Die Geschwindigkeit der Monomerenanlagerung an beiden Enden der<br />
Kette verschieden ist, und das Plus-Ende wächst fünf- bis zehnmal schneller, als das Minus-<br />
Ende. Die Unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten an den beiden Enden beruhen auf<br />
unterschiedlichen Cc-Werten. Infolge der unterschiedlichen Cc-Werte zwischen 0.1 – 0.8 M<br />
Konzentrationen wird das Plus-Ende wachsen, und dissoziieren Actinmonomere vom Minus-<br />
Ende, aber die Filamentlänge bleibt konstant, und kann das Filament in die Richtung Plus-<br />
Ende fortbewegen, Filopodien bilden (Tretmühle oder treadmill Modell). In vivo, die<br />
Steuerung der Actinpolymerisation benötigt regulatorische actinbindende Proteine, da die Ion-<br />
oder Actinkonzentration innerhalb der Zellen relativ konstant ist. Profilin bildet einen 1:1<br />
Komplex mit monomerem Actin, damit das Gleichgewicht in Richtung Polymerisation<br />
verschiebt. Im Gegensatz, Thymosin 4 hemmt der Aufbau der Actinfilamente. Das Protein<br />
bindet sich an G-Actin in Verhältnis 1:1, welches in diesem Komplex nicht mehr<br />
polymerisieren kann.<br />
25.<br />
Während der Wanderung bleibt die Länge der Aktinfilamente im Lamellipodium wegen der<br />
treadmilling konstant. Es werden an der Zellperipherie neue Aktinmonomere ins<br />
Aktinfilament eingebaut (Polymerisierung) und am Zellkörper werden Aktinmonomere von<br />
den Aktinfilamenten entfernt (Depolymerisierung).<br />
27.-30. extra<br />
Während der Wanderung wird der hintere Teil der Zelle danach vorwärts gezogen, und Neukontakt, oder<br />
Adhäsionsplaque (Fokalkontakt) an dem Substrat in Bewegungsrichtung gebildet. Zwischen den Fokalkontakten<br />
werden die Stressfasern gebildet, die aus kontraktilen Aktinfilamenten und Myosin bestehen. Aktomyosin-<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Kontraktion der Stressfasern yieht das Zellende zurück. Integrine (alfa und beta) sind die Transmebranproteine,<br />
die das Aktinnetzwerk durch Adaptorproteine an das extrazelluläre Matrix binden können. Fokalkontakte sind<br />
dynamisch, sie mussen rechtzeitig abgebaut werden, damit sich die Zelle sich nach vorne bewegen kann. Die<br />
dynamischen Mikrotubuli berühren die Fokalkontakte regelmässig und transportieren die Faktoren, die für den<br />
Abbau der Fokalkontakte notwendig sind.<br />
Die nächste Stufe der Organisation der Actinfilamente ist ihre Verknüpfung an der Membran-Mikrofilamentverbindende<br />
Proteine. Deshalb die höchste Dichte an Actinfilamenten besteht im Cortex, in der schmalen Region<br />
direkt unterhalb der Plasmamembran.<br />
31.extra<br />
Normalerweise, WASP-Protein der Zelle aktiviert das Arp2/3-Complex im Lamellipodium, was zur Entstehung<br />
einer quervernetztes Aktinnetzwerks führt. Viele Pathogene benutzen das Aktin der Wirtszelle, um sich in der<br />
infizierten Zelle zu bewegen und zu einer anderen Zelle übertragen zu werden. Sie lassen Aktin-Schwänze<br />
wachsen. Listeria: Expremiert ein Wasp-homologes bacterielles Protein auf seiner Oberfläche, wodurch das<br />
Arp2/3-Complex um die Bacteriumszelle aktiviert wird. Shigella: Eine seiner Oberflächenproteine bindet direkt<br />
an WASP und aktiviert WASP. Vaccinia virus: Eine seiner Oberflächenproteine bindet durch Adaptoren an<br />
WASP und aktiviert WASP. Salmonella: Seine Aktin-bindende Proteine polymerisieren direkt F-actin.<br />
32.<br />
In der Mitte der Fingerförmigen Microvilli des Dünndarms liegt ein Bündel von<br />
Actinfilamenten, welches die Gestalt der Mikrovilli stabilisiert.<br />
33.<br />
In der Membran der Muskelzellen sind Actinfilamente über Dystrophin an einem integralen<br />
Membranglykoproteinkomplex gebunden. Dieser Komplex bindet sich an Laminin und Agrin,<br />
die Komponente der extrazellulären Matrix sind. Das Dystrophin Gen ist auf dem<br />
Chromosom X gekoppelt, dessen Mutationen die geschlechtsgebundene vererbte<br />
degenerative Muskelerkrankung Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) verursacht.<br />
34.-40.<br />
Obwohl die Polymerisationsfähigkeit von Actin die Gestaltänderungen und Beweglichkeit der<br />
Zellen gewährleistet, erfordern viele Arten der zellulären Bewegung eine Wechselwirkung<br />
zwischen Actinfilamente und Myosin. Myosin ist eine ATP-ase, die sich entlang der<br />
Actinfilamente bewegt. Myosin kann die chemische Energie in mechanische umwandeln,<br />
weshalb man es als mechanochemisches Enzym oder Motorprotein bezeichnet. Myosin ist der<br />
Motor, der von ATP angetrieben ist und sich auf den als Schienen dienenden Actinfilamenten<br />
fortbewegt.<br />
41-56.<br />
Mikrotubuli<br />
Mikrotubuli sind Polymere aus Proteinuntereinheiten, welche den Raum zwischen dem<br />
Zellkern und der Plasmamembran ausfüllen. Mikrotubuli gewährleisten zahlreiche zelluläre<br />
Bewegungsarten, die auf der Polymerisation und Depolymerisation der Mikrotubuli, oder auf<br />
der Aktivität von Mikrotubulimotorproteinen beruhen. Während Mikrotubuli und<br />
Aktinfilamente bei den Zellbewegungen eine wichtige Rolle Spielen, dienen<br />
Intermediärfilamente ausschliesslich für strukturelle Aufgaben.<br />
Mikrotubuli bestehen aus Heterodimere von - und -Tubulin, die man mit<br />
Molekulargewichten von jeweils 55.000 bei allen Eukaryonten findet, und beide Proteine sehr<br />
stark konserviert ist. -Tubulin enthält ein nicht austauschbares GTP, und -Tubulin ein<br />
austauschbares GDP; diese Bindungstelle wird als austauschbar bezeichnet, da GDP wieder<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
durch GTP ersetzt werden kann. Der Aufbau der Mikrotubuli fängt mit der Bildung des<br />
Profilaments an. Die dimerische Untereinheiten sind mit ihren Enden aneinander gelagert. Die<br />
säulenformige Profilamente lagern sich Seite an Seite zusammen und bilden dabei die<br />
zylinderförmige Wand eines röhren-ähnliches Microtubulus. Nahezu alle Mikrotubuli bilden<br />
eine Röhre oder Singulett; in seltenen Ausnahmen könnnen sich Protofilamente auch zu<br />
Duplett- oder Triplettmikrotubuli zusammenlagern, wie in Cilien und Geisseln. Die zwei<br />
moleküle GTP-gebundene Tubulindimere lagern sich an die Plus-Ende existierender<br />
Mikrotubuli an. Nach dem Einbau -Tubulin-gebundenes GTP wird langsam zu GDP<br />
hydrolysiert. Die an ihren Ende GTP-Tubulin-Kappe tragenden Mikrotubuli sind stabil und<br />
können weitere Dimere anlagern. Microtubuli zeigen dynamische Instabilität, sie wechseln<br />
zwischen Phasen von Wachstum und Schrumpfen. Microtubule-Flux: Treadmilling der<br />
Microtubuli durch Depolymerisierung am –Ende und Polymerisierung am +Ende.<br />
Die mikrotubuliassoziierte Proteine (MAPs) spielen eine wichtige Rolle in Vernetzung der<br />
Mikrotubuli, die aus zwei Domänen bestehen: Eine mikrotubulibindende- und eine<br />
abstehende Domäne. Diese Domäne kann sich an Membranen, Intermediärfilamente, oder<br />
andere Mikrotubuli binden. Mechanochemische Enzyme, oder Motorproteine der Mikrotubuli<br />
sind Kinesin und Dynein. Kinesin verwendet Mikrotubuli-Schiene während der<br />
Fortbewegung in der Richtung Plus-Ende der Mikrotubuli, Dynein bewegt sich in der<br />
Gegenrichtung. Beide Proteine weisen strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten mit<br />
Myosin auf .<br />
57.-60.<br />
Centrosomen<br />
Bei den meisten Interphasezellen gehen die Mikrotubuli ähnlich wie Speichen einer Nabe von<br />
der Nähe des Zellkerns aus, wo das Wachstum beginnt. Centrosomen sind „T“-ähnliche<br />
Strukturen, die aus zwei Centriolen und der pricentriolaren Materie (PCM) bestehen.<br />
Centriolen bestehen aus 9 Mikrotubuli-Triplets. In den meisten Fällen sind die Centrosomen<br />
die Mikrotubuliorganisationszentren (MTOC), wo sich das Minus-Ende der Mikrotubuli<br />
bindet. Mikrotubuli verschwinden nach Zugabe von Colcemid oder bei 0 o C, und sich<br />
neubilden durch Entfernung Colcemid oder bei 37 o C. Die Mikrotubuli von dem MTOC zur<br />
Zellperipherie ausstrahlen, wodurch ihre Polarität in einer ganz bestimmten Richtung<br />
festgelegt wird. Diese Polarität wird während der gesamten Mitose beibehalten, bei der sich<br />
das Centrosom/MTOC verdoppelt. In Cilien oder Geisseln Centrosom dient als der<br />
Basalkörper, wo das Minus-Ende der Mikrotubuli angeheftet sind. Im Gegenstand, pflanzliche<br />
Zellen weisen zahlreiche MTOCs auf. In manchen Tierzellen fällt das Zentrosom und das<br />
MTOC nicht überein.<br />
61.-64.<br />
Mitose und Meiose<br />
Der mitotische Zellzyklus sorgt dafür, dass beide Zellen nach der Teilung genetisch identisch<br />
sind. Die Mitose ist der letzte Abschnitt des mitotischen Zellzyklus und dauert in einer<br />
normalen tierischen Zelle ungefähr eine Stunde. Für diese Zeitdauer bildet die Zelle eine<br />
vorübergehende Struktur aus Mikrotubuli, die als mitotischer Apparat bezeichnet wird. Um<br />
sicherzustellen, dass die Mitose über mehreren Milliarden Zellteilungen während der<br />
gesamten Lebensdauer fehlerfrei abläuft, hat die Natur einen redundanten Mechanismus<br />
entwickelt, der durch die Dynamik der Mikrotubuli gesteuert ist. Die Meiose sorgt für<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
genetische Variabilität, und dafür, dass das bei der Bildung der Geschlechtszellen das<br />
Chromosomenzahl halbiert wird.<br />
+<br />
Biologie 7. Auflage S.197-S.219<br />
65-67.<br />
Die Spindel<br />
Die Anzahl, Grösse und Form der Chromosomen ist genetisch festgelegt, und art- und<br />
zelltypisch ist. Die primäre Einschnürung, das Zentromer kann in der Mitte (metazentrisch,<br />
Chr. 1), am Ende (telozentrisch, X-Chr.), oder irgendwo inzwischen (submetazentrisch, Y-<br />
Chr.) des Chromosoms liegen. Der längerer Arm/Schenkel des Chromosoms heisst q, der<br />
kürzere p. Manche Chromosomen tragen sekundäre Einschnürung, den Nukleolenbildungsort<br />
(NO, nucleolus organiser). Euchromatin ist der genetisch aktiver Bereich des Chromosoms,<br />
der entspiralisiert ist, während Heterochromatin (z.B. Zentromerbereich) bleibt kondensiert,<br />
spiralisiert. Während der Mitose oder der Meiose müssen die Chromosomen im Vergleich der<br />
Länge ihre DNA ungefähr 1:10000 spiralisiert werden.<br />
In der Metaphase wird der mitotische Apparat in zwei Teile geteilt: Ein zentraler<br />
Spindelapparat, und ein Paar Microtubuliastern an jedem Spindelpol. Am Pol jeder<br />
Halbspindel befindet sich ein Centrosom, das vorher in der Interphase (G2) sich verdoppelt<br />
hat. Die Astralmikrotubuli, die aus dem Centrosom ausstrahlen, posizionieren das<br />
Spindelapparat und legen die Trennebene zwischen beiden Zellen während der Cytokinese<br />
fest. Die Pol- und Kinetochormikrotubuli bilden die Spindel. Die Kinetochormikrotubuli<br />
halten die Chromosomen an den Kinetochoren fest, während Polmikrotubuli gehen keine<br />
Wechselwirkung mit den Chromosomen ein. Das flache Kinetochor besteht aus drei<br />
Schichten, liegt in dem Centromer der Schwesterkromatiden mithilfe von centromerbindende<br />
Faktoren (CBF). „Search and capture“- Model: +Enden der Microtubuli wachsen und<br />
schrumpfen dynamisch und erwischen dabei ein Kinetochor und binden es.<br />
68-70.<br />
Bewegung der Chromosomen<br />
Während der Chromosomenbewegung in der Anaphase, dynamische Polymerisation und<br />
Depolymerisation der Mikrotubuli, sowie Mikrotubulimotorproteine gewährleisten die<br />
Zugkraft für Trennung der Chromosomen. Pac-Man Modell: Microtubuli werden am +Ende<br />
depolymerisiert. Aufrollen-Modell: Dynein bindet die Chromosomen an die +Enden und<br />
Microtubuli werden am –Enden depolymerisiert.<br />
71-73.<br />
Spindel ohne Centrosom<br />
Während der weiblichen Meiose gehen die Centrosomen verloren und die Spindel ensteht<br />
ohne Centrosomen. Dabei werden die Mikrotubuli an den kondensierten Chromosomen<br />
nukleiert. Die +Enden wachsen an den Chromosomen und schieben die –Enden aus.<br />
Regulierte Zusammenarbeit verschiedener Mikrotubulimotoren fokusieren die –Enden an den<br />
zwei Seiten der Chromosomen und so entstehen die zwei Spindelpolen.<br />
74-77.<br />
Fehler bei der Meiose<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Aneuplode Keimzellen entstehen wegen Chromosomen-nondisjunktion, die während der<br />
ersten oder der zweiten meiotischen Teilung auftreten kann. Fehler bei Meiose I: Die<br />
homologen Chromosomen werden in der AnaphaseI nicht separiert und wander zur gleichen<br />
Spindelpol. Fehler bei Meiose II: Die Schwesterchromatiden der Zweichromatiden-<br />
Chromosomen werden in der AnaphaseII nicht separiert und wander zur gleichen Spindelpol.<br />
Die häufigste und bekannteste Trisomie ist die Trisomie des Chromosomes 21. (Down-<br />
Syndrom). Die Häufigkeit ist 1:800-1:1000 pro Geburt. In den meisten Fällen tritt die<br />
Nondisjunktion in der Mutter während der Oogenese auf. Andere Trisomien: Turner-<br />
Syndrom (XXX), Klinefelter- Syndrom (XXY).<br />
78-79.<br />
Zytokinese<br />
In der Telophase gibt es zwei Zellkerne in einer gemeinsamen Zytoplasma. Die Zytokinese ist<br />
die Teilung der Zytoplasma. Dabei wird in der Anaphase ein kontraktiler Acto-Myosin-Ring<br />
gebildet, dessen Kontraktion am Ende der Mitose die zwei Zellen voneinander separiert. Der<br />
kontraktile Acto-Myosin-Ring ensteht an der Stelle, wo die „zentrale Spindel” (midbody)<br />
gewesen ist. Zur Trennung der Zellen ist die Einbau von neuen Zellmembranvesikeln<br />
notwendig.<br />
80-83<br />
Regulierung des Zellzykluss<br />
Der mitotische Zellzyklus sorgt dafür, dass beide Zellen nach der Teilung genetisch identisch<br />
sind. In der G1-Phase (gap, Lücke) des Zellzyklusses dient dafür, dass die Zelle für die<br />
Teilung sich vorbereitet. Zur Vorbereitung auf eine Mitose müssen das Genom und das<br />
Zytoplasma verdoppelt werden. Die Chromosomenverdopplung geschieht in der S-Phase<br />
(Synthese) der Interphase. Die Interphase besteht aus S-Phase, G1- und G2-Phasen des<br />
Zellzyklusses. Die in der S-Phase verdoppelten Chromosomen sind die genetisch identischen<br />
Schwesterchromatiden, oder Zwei-Chromatid-Chromosomen. In der Interphase liegen die<br />
Chromosomen als entspiralisiertes Chromatin vor, nur während der Mitose kondensieren sie,<br />
sich verkürzen, und werden zytogenetisch sichtbar. Die meisten Zellen vielzelliger<br />
Organismen unterbrechen den Zellzyklus in der G1-Phase, treten in die G0-Phase ein, und<br />
beginnen Differenzierung (postmitotische Zellen). Die nichtteilenden Zellen treten von G0 in<br />
die G1-Phase ein, wenn der Verlust von Zellen einen Ersatz durch Neubildung nötig ist.<br />
84.<br />
Der Zellzyklus ist irreversibel, kann aber an den Kontrollpunkten angehalten werden. Wenn<br />
die Umweltbedingungen ungünstig sind, oder die DNA nicht perfekt repliziert wurde oder<br />
beschädigt ist, oder wenn die Chromosomen nicht an die Spindel gebunden sin, wird der<br />
Zellzyklus arretiert. Es gibt drei Kontrollpunkte: G1/S-Übergang, G2/M-Übergang,<br />
Metaphase/Anaphase-Übergang.<br />
85-87.<br />
Kennenlernen die Schritte die den Zellzyklus der Eukaryonten steuern hat - unter anderen -<br />
eine wichtige Bedeutung: Für jeden sechsten Todesfall in den Industrieländer die<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Krebserkrankungen, oder Störungen der Regulierung des Zellzyklus verantwortlich sind.<br />
Gegen Ende der Achtzigerjahre wurde deutlich, dass die Regulation der Chromosomen- und<br />
Zellteilung in allen eukaryontischen Zellen ähnliche molekulare Vorgänge besitzen. Die<br />
Verdopplung von Zellen wird durch die Bestimmung des Zeitpunts überwacht, andem zwei<br />
wichtige Ereignisse des Zellzyklus eintreffen: Die DNA-Synthese und die Mitose. Diese<br />
Vorgänge werden in erster Linie durch eine kleine Gruppe von heterodimeren Proteinkinasen<br />
reguliert, die jeweils aus einer regulatorischen und einer katalytischen Untereinheit bestehen.<br />
Die regulatorische Untereinheit dieser Proteine sind die Cycline, da ihr Gehalt im Verlauf des<br />
Zellzyklus zu- und abnimmt. Die Katalytische Untereinheit nennt man cyclin-dependentkinase<br />
(Cdk), cyclinabhängige Kinase, da sie erst nach der Assoziation mit einem Cyclin<br />
aktiviert wird. Die katalytischen Untereinheiten können sich mit verschiedenen Cyclinen<br />
verbinden, die dann festlegen, welche Proteine durch den Cdk-Cyclin-Komplex<br />
phosphoryliert wird. Dementsprechend der Komplex reguliert Durchführung G1-Phase, S-<br />
Phase und die Mitose. Sobald eine Zelle nach der Stimulierung durch Wachstumsfaktoren<br />
(NGF, EGF, usw.) die Verdopplung beginnt, werden die G1-CdkCs exprimiert, als ruhende<br />
Zellen in der G1-Phase zu finden sind. Sie bereiten die Zelle für den Eintritt in die S-Phase<br />
vor, aktivieren bestimmte Transkriptionsfaktoren, die die Enzyme für DNA-Synthese und S-<br />
Phase-Cdks bewirken. Während der S- und G2-Phase werden die mitotischen CdkCs<br />
bereitgestellt, die Chromosomenkondensation, den Aufbau von Spindelapparates, Zerfall der<br />
Kernhülle, und die Ausrichtung der Chromosomen in der Metaphaseebene steuern.<br />
Schliesslich aktivieren mitotische CdkCs den anaphasefördernden Komplex (anaphasepromoting<br />
complex, APC), der die Proteinkomplexe inaktiviert, die in der Metaphase die<br />
Schwesterkromatide miteinander verbinden.<br />
Während der Entwicklung von vielzelligen Organismen ist die genaue Steuerung des<br />
Zellzyklus äusserst wichtig, womit jede Gewebe die richtige Grösse und Form erhält. Die<br />
Zellteilung wird durch ein Netzwerk der Signalwegen gesteuert, durch ein integriertes<br />
Program, welches den Z Metaphase/Anaphase ustand der Zellen kontrolliert (Grösse,<br />
Identität) Die bei den Hefen und Froschembryonen entdeckten Mechanismen zur Regulierung<br />
des Zellzyklus sind auch in den Körperzellen bei höheren Eukaryonten, inklusive Menschen,<br />
wirksam , als Vorgänge der Zellzyklusregulierung hochkonserviert sind. Im Gegensatz zu<br />
Hefen, die eine einzige cyclinabhängige Kinase (CDK) besitzen, wird bei Säugetierzellen der<br />
Ablauf des Zellzyklus von einer Familie verwandter CDK-Moleküle reguliert, nähmlich Cdk-<br />
1, -2, -3, -4 und -6, davon Cdk3 und -6 werden sehr geringer exprimiert. Wie die Hefezellen<br />
besitzen auch Säugetierzellen mehrere Arten von Cyclinen, Cyclin A, -B, -D und –E.<br />
88-91.<br />
Mechanismen der Regulierung der CDKs<br />
1. Anheften des Cyklins aktiviert die CDK<br />
2. Aktivierende Phosphorilierung durch eine CAK (Cyklin-aktivierende Kinase)<br />
3. Hemmende Phosphorilierung duch eine Inhibitor-Kinase (z.B. Wee1)<br />
4. Anheften von CDKIs (CDK-Inhibitoren) hemmen die CDKs<br />
94-98.<br />
G1/S Kontrollpunkt<br />
8
<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Der G1/S-Übergang wird durch CDK4/CyclinD und CDK2/CyclinE reguliert. Sind diese<br />
Komplexe aktiv, dann tritt die Zelle in die S-Phase ein. In der späten G1-Phase reguliert der<br />
CyclinD/Cdk4/6 Komplex die Aktivität von Retinoblastoma-Protein/E2F<br />
Transkriptionsfaktor-Komplex durch Phosphorylierung. Der Rb/E2F Protein-Komplex ist<br />
wegen der Anwesenheit von Rb inaktiv. Der Cyclin D/Cdk4/6 Komplex phosphoryliert Rb,<br />
womit E2F freigesetzt wird, und die Transkription der zur S-Phase notwendigen Targetgene<br />
beginnen kann.<br />
Ist die DNA beschädigt, dann bleiben CDK4/CyclinD und CDK2/CyclinE Komplexe inaktiv<br />
und der Zellzyklus wird in G1 arretiert. DNA-Schäden werden vom ATM Protein detektiert,<br />
was zur Aktivation des p53 Tumorsupressors führt. (Der Name erhielt dieses Protein nach<br />
seiner Grösse bei der SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese). Beschädigte DNA stabilisiert<br />
das normalerweise instabiles p53-Prritein. p53 wirkt als Transkriptionsfaktor und leitet die<br />
Expression des Cyclin-Kinase-Inhibitorproteins p21 ein, worauf sämtliche Cdk/Cyclin-<br />
Komplexe gehemmt werden, und wird der Zellzyklus in der G1- oder in der G2-Phase<br />
angehalten. Im Falle der meisten Krebserkrankungen der Menschen ist sehr häufig das<br />
Tumorsuppressorgen p53 mutiert.Natürlich können nicht nur DNA-Schäden sondern auch<br />
Signalwege, Kontakt-Inhibition, UV-Strahlung diesen Kontrollpunkt blokkieren.<br />
99-101.<br />
G2/M Kontrollpunkt<br />
Der G2/M-Übergang wird durch CDK1/CyclinB-Komplex (MPF, M-phase förderndes<br />
Faktor) reguliert. Ist dieses Komplex aktiv, dann tritt die Zelle in die M-Phase ein. Ist die<br />
Replikationb nicht abgeschlossen, oder ist die DNA beschädigt, dann wird es vom ATM<br />
Protein detektirt. Dass führt zur Aktivierung der Chk-Kinasen, die die cdc25 Phospatese<br />
inaktivieren. Normalerweise ist cdc25 zur Aktivierung des MPFs notwendig. Auch das ATMp53-p21<br />
Signalweg kann (ähnlich wie bei der G1/S Kontrollpunkt) den G2/M-Übergang<br />
blokkieren.<br />
102-106.<br />
Metaphase/Anaphase-Kontrolpunkt<br />
Beendung der Mitose wird durch den Abbau von mitotischen Cyclinen und Securin<br />
vermittelt.<br />
Biochemische Untersuchungen ergaben, dass der Abbau der Cyclinen durch die Anheftung<br />
von Ubiquitin gewährleistet wird. Das ubiquitinaktivierendes Enzym E1 herstellt zwischen<br />
dem C-Terminus (freie COOH-Gruppe) von Ubiquitin und einem eigenen Cysteinrest eine<br />
Thioesterbindung und dadurch das Ubiquitin-Protein aktiviert. Schliesslich E1 überträgt es<br />
auf einen Cysteinrest des ubiquitinkonjogierenden Enzym E2. Anschliessend wird von E2 und<br />
einer Ubiquitin-Ligase E3, die auch als anaphasefördernder Komplex (anaphase-promoting<br />
complex, APC) bezeichnet wird, die Abbaubox erkannt und Ubiquitin auf einen von<br />
Abbaubox C-Terminal liegenden Lysinrest auf das Substrat-Cyclin übertragen. Die<br />
Wiederholungen dieser Vorgänge führt zu polyubiquitinierten Cyclinen, die sehr schnell an<br />
den Proteasomen abgebaut werden.<br />
Eintritt in die Anaphase der Mitose bedeutet die Trennung der Schwesterchromatiden, die am<br />
Centromer und an mehreren anderen Stellen durch Cohesin-Proteinkomlex zueinander<br />
angeheftet sind. Die Funktion von Cohesin wird durch das Anaphaseninhibitor-Protein-<br />
Komplex Separase/Securin gesteuert. Zu beginn der Anaphase wird der Inhibitor Securin von<br />
anaphasefördernden-Komplex (APC) polyubiquitiniert und rasch abgebaut. Dadurch wird<br />
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<strong>Vorlesung</strong> 2<br />
<strong>Zytoskelett</strong>, <strong>Zellgestalt</strong>, Zellbewegung, Trennung der<br />
Chromosomen<br />
Separase aktiv und baut Cohesin ab. Dann werden die Schwesterchromatiden von den auf die<br />
Kinetochoren wirkenden, zu den Polen gerichteten Kräften zu gegenüberliegenden<br />
Spindelpolen gezogen.<br />
Der anaphasefördernder Komplex (APC) baut also zwei Klassen von Proteine (Cyclin und<br />
Securin) ab.<br />
Fehlerhafter Spindelapparat verhindert die Aktivierung von APC-Komplex der den<br />
Anaphaseinhibitor Securin für den Abbau markiert. Aus diesem Grund setzt die Anaphase erst<br />
ein, wenn alle Kinetochoren/Zentromeren an Spindelmikrotubuli gebunden sind. Mad2<br />
Protein detektiert, wenn nicht alle Kinetochoren/Zentromeren an Spindelmikrotubuli<br />
gebunden sind, und inaktiviert mit cdc20 das APC-Komplex.<br />
Sehr selten tritt Nondisjunktion bei Menschen auf: Die Anaphase beginnt bevor beide<br />
Kinetochoren/Zentromeren des verdoppelten Chromosomes an die Mikrotubuli angeheftet<br />
sind.<br />
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